风—车—桥系统车辆风荷载突变效应风洞试验研究

李永乐，胡 朋，张明金，2，强士中

(1.西南交通大学桥梁工程系，四川成都 610031;2.湖北省交通规划设计院，湖北武汉 430051)

0 引言

侧向风、车辆、桥梁三者交互作用、协调工作构成了风—车—桥耦合振动系统。侧向风作用下，桥上高速运行的车辆受到横向风荷载及倾覆力矩的作用。高速行驶的车辆经过桥塔时，由于塔柱对风的遮档效应，当车辆运行至塔柱后方时，车辆所受风荷载突然减载，当减载后的车辆通过塔柱后，其所受风荷载又迅速增大，恢复至正常值。侧向风作用下，当列车高速穿过桥塔时，每一节车辆的横向风荷载都经历突然的减载和加载过程。当双车交会时，背风侧车辆进入迎风侧车和桥梁的气动绕流中，由于迎风侧车辆的遮风效应，背风侧车辆的风荷载在双车交会开始的瞬间突然减小。随着双车反向的运行，当背风侧车辆脱离迎风侧车辆遮挡时，其风荷载又突然增加。在整个双车交会过程中，背风侧车辆经历了突然的减载和突然加载。车辆经过桥塔及双车交会时车辆风荷载的突变对行车的安全性和舒适性极为不利［1］，对于汽车还会增加驾驶难度，降低汽车的操纵稳定性，从而诱发交通事故［2］。

由于车辆风荷载突变机理复杂，无法通过精确的理论求解，一般可通过数值模拟、现场实测以及风洞试验等方法进行研究。文献［3］采用数值模拟技术研究了跨海大桥桥塔区风环境的分布特点;文献［4］通过数值模拟和实测两种方式对比分析了动车组列车交会时压力波的变化幅值以及与车速的关系。文献［5］通过现场实测的方法讨论了磁悬浮列车交会时的动力学性能，并介绍了改善舒适度的控制方法;文献［6］实测了磁浮列车高速会车时的压力波及列车风。采用数值模拟技术可考虑车辆通过桥塔和双车交会时车辆气动力的变化，但数值模拟技术计算量较大且其精度有待验证;而采用现场实测的方式可较真实地反映实际情况，但现场测试易受天气影响、操作不方便，而且效率低、成本较高。相对于数值模拟与现场实测，风洞试验可以人为地控制、改变和重复试验条件，更宜于开展机理性研究。文献［7］通过风洞试验研究了箱式货车在桥塔区域的气动特性，但该试验中车辆是静止的;文献［8］通过风洞试验技术研究了移动汽车模型通过桥塔尾流时的车辆气动力，但该试验中车辆运动的有效距离较短，而且只能得到车辆的侧向力和横摆力矩。李永乐等［1，9］通过车桥组合模型风洞试验测试了车辆和桥梁的气动力系数，并进行了车辆经过桥塔的风-车-桥耦合振动分析，但由于车辆经过桥塔时所采用的风速与气动力系数均是车辆在静止状态下测试的，未严格模拟车辆风荷载突变的真实历程。基于风洞试验技术，针对风-车-桥系统中车辆经过桥塔及双车交会过程中车辆气动力动态突变效应的研究未见报道。

本文基于自主研制的移动车辆模型风洞试验系统［10］，针对轨道交通车辆(如列车)和公路交通车辆(如汽车)，分别采用三车模型和单车模型测试了车辆通过桥塔和双车交会时车辆气动力系数，讨论了风速、车速、车辆所处轨道位置及车辆类型等因素对车辆气动力系数的影响。

1 试验概况

基于自主研发的移动车辆模型风洞试验系统［10］(如图1所示)，以真实车辆和桥梁为原型，采用1/45的几何缩尺进行车辆和桥梁模型加工制作。针对轨道交通车辆(如列车)和公路交通车辆(如汽车)，车辆模型分为三车模型和单车模型。三车模型如图2所示，本研究仅针对中间测力车，头车和尾车均未严格模拟，仅相当于气动过渡段。对于公路交通车辆，为更好地对比头车和尾车的气动过渡作用，单车模型直接取三车模型的中间测力车，以便于三车和单车两种情况下的对比，未严格模拟公路交通车辆的外型。沿来流方向，在桥梁模型设置A、B、C、D四个轨道，车辆可分别沿四个轨道运行(如图3所示)，以考查不同轨道位置的影响。对于车辆经过桥塔的情况，在桥道迎风侧加设一宽为0.5m的竖向板，以模拟塔柱的遮风效应。对于双车交会的情况，受试验装置所限，每次仅能实现一列车的运动，而另一列车静态放置在相应轨道上，试验中仅测试运动车辆的气动力。为减小动态试验数据的误差，对每一工况重复进行五次测试。

车辆三分力系数按下式定义:

阻力系数(以来流方向为正):

升力系数(以竖直向上为正):

力矩系数(以上游侧向上为正):

式中1/2ρV2为气流动压，V为来流风速;H、B、L为车辆模型的高度、宽度和长度。FH、FV、FM分别为阻力、升力和扭转力矩;CH、CV、CM分别为阻力系数、升力系数和扭转力矩系数。

2 桥塔遮风效应

2.1 三车模型

图1 试验装置总体布置示意图Fig.1 General schematic diagram of test rig

图2 车辆模型(单位:mm)Fig.2 Schematic diagram of vehicle model(Unit:mm)

图3 轨道位置示意图Fig.3 Schematic diagram of rail position

为考察车辆通过桥塔时，在桥塔的遮风效应下车辆气动力的变化，进行了不同风速(6m/s、8m/s、10m/s)下车辆以速度为8m/s分别沿A、D轨道运行的试验。车辆沿A轨道运行时，不同风速下车辆三分力系数时程如图4～图6所示。由图可知，由于桥塔(横坐标6.75～7.25m)的存在，桥塔的遮风效应使车辆三分力系数经历了先减小、再增大的波动，不同风速下车辆三分力系数的变化规律相似，由桥塔引起车辆三分力系数的平均突变区域(约4.5～9m)较桥塔自身宽度(0.5m)要大得多。车辆升力系数波动较大，这与车辆急剧加速过程中头车的分流导致车辆顶部流场不稳定有关。当风速增大时，车辆阻力系数与力矩系数时程曲线突变程度有减缓趋势，这表明随着风速的提高，由运动引起的列车风的作用减弱。车辆未进入桥塔影响区域时，车辆阻力系数随风速增大有变小的趋势，这可能与车桥间相互气动干扰及雷诺数效应有关。当车辆位于D轨道时，其三分力系数变化趋势与A轨道情况类似。

图7～图9为风速10m/s、车速8m/s时，车辆分别沿A、D轨道运行时车辆三分力系数时程。由图可知，两种轨道位置情况下车辆三分力系数曲线的变化规律相近，但车辆位于迎风侧A轨道时车辆阻力系数与升力系数均大于背风侧D轨道，此外，车辆位于迎风侧A轨道时桥塔遮风效应的影响区域较背风侧D轨道时的要宽，也就是说，车辆沿背风侧D轨道运行时车辆风荷载变化更剧烈。

为对比车辆静态与动态通过桥塔时车辆三分力系数的变化，设置了风速为10m/s，车辆分别以静态和速度为8m/s的动态沿A、D轨道运行的试验。车辆静态试验中，静止车辆位置每次沿桥轴向前移动0.1m，车辆移动到位并保持静止后进行气动力测试。静态和动态情况下车辆阻力系数如图10、图11所示。由图可知，在A轨道静态车辆阻力系数的突变程度较运动车辆要剧烈，且其极小值要小于运动车辆，说明车辆运动时引起的列车风与塔柱及桥道绕流的相互气动作用使动态车辆阻力系数的突变程度较静态要小，但车辆运动情况下桥塔遮风效应的影响区域较静态的要大。当车辆位于D轨道，运动车辆和静止车辆的阻力系数曲线斜率较为接近，但运动车辆阻力系数较静止车辆要小。对比图10和图11可知，车辆沿A轨道运行时静态和动态两种情况下气动力系数曲线的差异更大，这表明车辆沿距桥塔较近轨道运行时列车风与塔柱及桥道绕流间的相互作用更为显著，当轨道位置距桥塔较远时车辆运动对车辆气动力系数的影响减弱。

图4 A轨道车辆阻力系数时程Fig.4 Time history of vehicle drag coefficients for Rail A position

图5 A轨道车辆升力系数时程Fig.5 Time history of vehicle lift coefficients for Rail A position

图6 A轨道车辆力矩系数时程Fig.6 Time history of vehicle moment coefficients for Rail A position

图7 A、D轨道车辆阻力系数对比(三车模型)Fig.7 Comparison of vehicle drag coefficients for Rail A and D position(three-vehicle model)

图8 A、D轨道车辆升力系数对比(三车模型)Fig.8 Comparison of vehicle lift coefficients for Rail A and D position(three-vehicle model)

图9 A、D轨道车辆力矩系数对比(三车模型)Fig.9 Comparison of vehicle moment coefficients for Rail A and D position(three-vehicle model)

图10 A轨道车辆阻力系数时程(静动态)Fig.10 Time history of vehicle drag coefficients for Rail A position(static and moving vehicles)

图11 D轨道车辆阻力系数时程(静动态)Fig.11 Time history of vehicle drag coefficients for Rail D position(static and moving vehicles)

2.2 单车模型

试验中三车模型相当于轨道交通车辆(如列车)，单车模型相当于公路交通车辆(如汽车)。为对比分析单车在不同轨道位置运行时桥塔突变风载的影响，风速10m/s、车速8m/s情况下，单车沿A、D轨道运行时车辆三分力系数如图12～图14所示。由图可知，两种轨道情况下车辆三分力系数的变化规律相近，但A轨道时桥塔遮风效应的影响区域更宽，车辆沿A轨道运行时，车辆阻力系数、升力系数总体上均比D轨道要大，与三车模型的情况相似。图15～图16为风速10m/s、车速为8m/s的情况下单车模型与三车模型分别沿A、D轨道运行时车辆阻力系数时程的对比。由图可知，A轨道三车模型情况下车辆阻力系数时程变化趋势较单车模型要缓和，这与头车和尾车的气动过渡作用有关。当车辆位于背风侧D轨道，单车模型与三车模型的车辆阻力系数变化趋势相近，但单车模型时车辆阻力系数较三车模型的要大。

3 双车交会的影响

为考察车辆在桥上与另一车交会时车辆气动力系数的变化情况，试验中采用三车模型，在B、C轨道分别放置运动车辆和静止车辆，运动车辆(被测试车)如图2所示，长1.5m，静止车辆长2.1m。运动车辆可分别沿迎风侧B轨道和背风侧C轨道运行，运动车辆位于C轨道而静止车辆位于B轨道的工况如图17所示。不同风速(6m/s、8m/s、10m/s)下，车速为 8m/s时双车交会过程中运动车辆三分力系数时程如图18～图20所示。由图可知，当双车完全交会时(测试车辆横坐标6.25～7.75m段)，车辆三分力系数曲线均有不同程度的突变趋势，其中车辆阻力系数均变为负值，这说明由于迎风侧车辆的存在，双车交会时背风侧运动车辆所受风荷载急剧减小。由双车交会引起运动车辆三分力系数的平均突变区域(约4.5～9m)约为静车长度的2倍，车辆阻力系数和力矩系数在交会前后的差别较大。随着风速的提高，车辆三分力系数曲线突变的趋势变缓。

图12 A、D轨道车辆阻力系数对比(单车模型)Fig.12 Comparison of vehicle drag coefficients for Rail A and D position(single-vehicle model)

图13 A、D轨道车辆升力系数对比(单车模型)Fig.13 Comparison of vehicle lift coefficients for Rail A and D position(single-vehicle model)

图14 A、D轨道车辆力矩系数对比(单车模型)Fig.14 Comparison of vehicle moment coefficients for Rail A and D position(single-vehicle model)

图15 A轨道单、三车车辆阻力系数对比Fig.15 Comparison of vehicle drag coefficients for different vehicle models at Rail A position

图16 D轨道单、三车车辆阻力系数对比Fig.16 Comparison of vehicle drag coefficients for different vehicle models at Rail D position

图21～23为风速10m/s、车速为8m/s，测试车辆分别沿迎风侧B轨道和背风侧C轨道运行时车辆气动力系数时程对比图，此时静止车辆分别位于背风侧C轨道和迎风侧B轨道。由图可知，当测试车辆沿迎风侧B轨道运行时，平均突变区域(约4.5～9m)内车辆阻力系数与升力系数均远大于测试车辆沿背风侧C轨道运行时的系数，车辆力矩系数均为负值，运动车辆位于B轨道时其力矩系数的绝对值要小于C轨道。这是因为当测试车辆位于迎风侧B轨道运行时，静止车辆只影响测试车辆背风侧的空气绕流，对测试车辆的气动力系数的影响较为有限。两种工况的对比表明，双车交会对背风侧车辆气动力的影响较为显著，对迎风侧车辆气动力亦有一定的影响。为了对比分析测试车辆在运动状态和静止状态下通过交会车辆时车辆气动力系数的变化，进行了风速为10m/s，测试车辆沿迎风侧B轨道与背风侧C轨道分别以速度为8m/s动态运行和每次前进0.1m的静态通过的测试，车辆阻力系数时程如图24、25所示，由图可知，当测试车辆位于迎风侧B轨道，两种状态下车辆阻力系数时程变化趋势相似，但静态通过时车辆阻力系数明显大于运动状态，这主要是因为车辆运动时从头车两侧分离出的气流由于交会车辆的阻挡，使交会时两车之间形成高压区域，从而使运动状态的车辆阻力系数变小。当测试车辆位于背风侧C轨道，静态通过时车辆阻力系数的突变程度大于运动状态的，但运动状态下车辆阻力系数的变化幅度较大，受迎风车影响的区域也较大(约4.5～9m)，这与列车风与迎风侧车辆及桥道绕流的气动相互作用有关。

4 结论

基于移动车辆模型风洞试验系统，针对车辆通过桥塔及双车交会时对车辆气动力系数进行多工况的测试与分析，可得如下主要结论:

(1)当车辆运行于桥塔区域和双车交会时，车辆三分力系数均有不同程度的突变趋势，车辆阻力系数与力矩系数的突变效应更为明显。此外，随着风速的提高，由运动引起的列车风的作用减弱，车辆气动力系数突变程度有减缓趋势。

(2)车辆通过桥塔时，列车风与塔柱及桥道绕流的相互气动作用使动态车辆阻力系数的突变程度减弱，桥塔遮风效应的影响区域变长。

(3)当车辆沿塔柱后方不同轨道运行时，车辆三分力系数变化趋势相差不大。车辆沿距塔柱较近的轨道运行时列车风的作用更明显，车辆阻力系数和升力系数较大，桥塔遮风效应的影响区域较长。车辆沿距塔柱较远的轨道运行时车辆风荷载突变效应更剧烈。

(4)轨道交通列车(对应于三车模型)通过桥塔时，中间车气动力系数时程曲线变化趋势较公路交通车辆(单车)的要缓和，这与头车和尾车的气动过渡作用有关。

图24 测试车辆位于迎风侧时车辆阻力系数时程(静动态)Fig.24 Time history of vehicle drag coefficients when testing vehicle on the windward side(static and moving vehicles)

图25 测试车辆位于背风侧时车辆阻力系数时程(静动态)Fig.25 Time history of vehicle moment coefficients when testing vehicle on the leeward side(static and moving vehicles)

(5)双车于桥上交会时，背风侧车辆风荷载急剧减小，迎风侧车辆三分力系数变化较平稳。车辆运动使背风侧车辆阻力系数的变化幅度较大，受迎风侧车辆影响的区域也较大，这与列车风与迎风侧车辆及桥道绕流的气动相互作用有关。而车辆运动使迎风侧车辆阻力系数整体变小。

三车模型试验中本研究仅测试了中间车，头车和尾车风荷载的突变效应有待进一步深入研究。

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